Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Метаболизм. Процессы, требующие притока энергии
Биосинтез липидов
Биосинтез полярных и неполярных липидов

Биосинтез липидов в клетках эукариот осуществляется на мембранах гладкого эндоплазматического ретикулума. Большинство ферментов, прини­мающих участие в этих процессах, ассоциированы с его мембранами и пред­ставляют собой липопротеины.

Основными предшественниками для синтеза нейтральных липидов (триацилглицеролов), а также полярных фосфо- и гликолипидов служат активированные жирные кислоты и глицерол-3-фосфат. Активация жирных кислот происходит в следующей реакции:

Жирная кислота + АТР + СоА → Ацил-S-СоА + АМР + PP_i

Глицерол-3-фосфат образуется либо при прямом фосфорилировании за счет АТР при участии глицеролкиназы, либо при восстановлении промежу­точного продукта гликолиза — дигидроксиацетон-3-фосфата ферментом 3-глицерофосфатдегидрогеназой, использующей в качестве кофермента NADH.

Биосинтез неполярных липидов. Если биосинтез триацилглицеролов осуществляется de novo (из глицеролфосфата и жирных кислот), то на первой стадии происходит последовательное ацилирование двух свободных гидро­ксильных групп молекулы глицерол-3-фосфата (рис. 15.3). При этом в реак­ции этерификации СоА-эфиром жирной кислоты по первому атому углерода глицерол-3-фосфата вначале формируется моноацилглицерол-3-фосфат (лизофосфатид), а затем — диацилглицерол-3-фосфат (фосфатидат).

Рис. 15.3. Биосинтез триацилглицеролов: R₁, R₂, R₃ — углеводородные цепи жирных кислот

На следующей стадии происходит гидролитическое отщепление фосфат­ной группы от молекулы фосфатидата и образуется 1, 2-диацилглицерол, ко­торый взаимодействует с третьим СоА-производным жирной кислоты, в ре­зультате чего формируется триацилглицерол (триглицерид).

Кроме описанной схемы, синтез нейтральных липидов может осуществ­ляться с участием в качестве предшественников продуктов расщепления ли­пидов, попадающих в организм с пищей. Эти процессы особенно интенсивны в слизистой кишечника животных. Нейтральные жиры расщепляются в пи­щеварительном тракте панкреатическими липазами до жирных кислот и 2-моноацилглицеролов, которые всасываются слизистой кишечника. В клетках слизистой оболочки происходит последовательное ацилирование 2- моноацилглицерола СоА-эфирами жирных кислот с образованием триацилглицеролов. Эти реакции катализируют особые ацилтрансферазы.

Триглицериды, как уже отмечалось, являются основными запасными ве­ществами в клетках животных и некоторых других организмов. Особое зна­чение они имеют для впадающих в спячку и мигрирующих на далекие рас­стояния животных. Например, верблюды запасают триацилглицеролы в горбу и используют их как источник воды, которая образуется при окислении. У полярных животных (тюленей, моржей и др.) триглицериды часто выполняют функцию теплоизолятора. Некоторые животные используют неполярные ли­пиды для регулирования плавучести. Например, в спермацетовом мешке ка­шалотов находится несколько тонн триацилглицеролов, содержащих в соста­ве молекул ненасыщенные жирные кислоты. Плотность (консистенция) этих триглицеридов зависит от температуры среды: повышается при понижении температуры. Питаясь кальмарами, кашалоты заплывают на большие глуби­ны, где температура воды ниже обычной. Это индуцирует кристаллизацию триглицеридов, увеличивается их плотность соответственно увеличению плотности морской воды на глубине, и животное, не прибегая к дополнитель­ным усилиям, может долго оставаться на большой глубине.

Биосинтез полярных липидов. Первые этапы биосинтеза фосфо- и гли­колипидов совпадают с таковыми для синтеза триацилглицеролов: в ходе этих реакций тоже образуются фосфатидат и диацилглицерол (рис. 15.3). На следующих этапах к молекуле диацилглицерола может присоединяться с по­мощью специфического переносчика активированная полярная «голова» мо­лекулы (чаще аминоспирт). В других случаях, наоборот, на полярную «голо­ву» переносится активированная молекула диацилглицерола.

На рис. 15.4 представлены реакции биосинтеза фосфатидилхолина. В этом процессе активация холина осуществляется путем соединения с СDP, и этот нуклеозиддифосфат служит переносчиком холинфосфата на молекулу диацилглицерола. Подобная закономерность наблюдается в биосинтезе поли­сахаридов, только там переносится сам моносахарид, а не его фосфорилированная форма (рис. 14.3).

Аналогичным путем (с использованием цитидиндифосфатэтаноламина) синтезируется другой важный компонент мембран — фосфатидил-этаноламин.

Другие фосфолипиды, такие, как фосфатидилинозит, фосфатидилглицерол, дифосфатидилглицерол, фосфатидилсерин, синтезируются при участии активированного диацилглицерола — цитидиндифосфатдиацил-глицерола. Это соединение образуется при взаимодействии СТР с фосфатидатом (рис. 15.5). Перенос остатка фосфодиацилглицерола на один из спиртов ката­лизируется специфическими фосфатидилтрансферазами и приводит к форми­рованию перечисленных выше глицерофосфолипидов.

Кроме охарактеризованных выше способов биосинтеза полярных липи­дов, существует возможность взаимопревращения глицерофосфолипидов ме­жду собой (рис. 15.5). Так при декарбоксилировании фосфатидилсерина об­разуется фосфатидилэтаноламин, а он, в свою очередь, может превращаться в фосфатидилхолин при троекратном метилировании S-аденозилметионином атома азота. Фосфатидилглицерол-1-фосфат способен превращаться в дифосфатидилглицерол.

Описанные закономерности биосинтеза глицерофосфолипидов характер­ны и для процессов синтеза других полярных липидов. На скорость биосин­теза липидов у животных очень сильно воздействуют гормоны, в первую очередь инсулин, который стимулирует синтез жирных ки­слот из глюкозы (продуктов ее расщепления).

Рис. 15.4. Биосинтез фосфатидилхолина: R₁, R₂ — углеводородные цепи жирных кислот; СТР — цитидинтрифосфат

Рис. 15.5. Альтернативные пути биосинтеза полярных липидов

Биосинтез стеролов. Эти соединения могут синтезировать все организ­мы, однако многие из них используют стеролы, присутствующие в пище. На­пример, суточная потребность человека в холестероле удовлетворяется на 50% с продуктами питания, и на 50% — за счет биосинтеза.

Основным предшественником для биосинтеза стеролов является ацетил-СоА, который поэтапно, с соблюдением определенных стадий (правило Ружечки) превращается в фарнезилпирофосфат (рис. 17.2), служащий также промежуточным соединением в синтезе каротиноидов. При димеризации двух молекул фарнезилпирофосфата по типу «голова к голове» возникает 30-углеродный линейный изопреноид сквален, который циклизуется и модифи­цируется с образованием стеролов (рис. 15.6). Данный процесс идентичен синтезу каротиноидов, и его принципы, а также этапы биосинтеза фарнезил-пирофосфата, описаны в главе 17.

Рис. 15.6. Некоторые этапы биосинтеза стеролов

Эргостерол получают биотехнологическим путем при культивировании дрожжей (Saccharomyces cerevisiae, Saccharomyces carlbergensis, Candida guilliermondii), а также мицелиальных грибов (Penicillium notatum). Эргосте­рол является предшественником эргокальциферола (витамина D₂), а холесте­рол, синтезируемый животными и некоторыми бактериями, служит предше­ственником холекальциферола (витамина D₃).